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AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE SOLUÇÕES ESTRUTURAIS PARA GALPÕES INDUSTRIAIS LEVES

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Academic year: 2019

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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto-Escola de Minas Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil

AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE SOLUÇÕES

ESTRUTURAIS PARA GALPÕES INDUSTRIAIS

LEVES

AUTOR: MICHEL ROQUE CHAVES

Orientador: Prof. Dr. Geraldo Donizetti de Paula

Co-orientador: Prof. Dr. José Luiz Rangel Paes

Dissertação apresentada ao programa de pós-graduação do Departamento de Engenharia Civil da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, área de concentração: Construção Metálica.

(2)

Catalogação: sisbin@sisbin.ufop.br

C512a Chaves, Michel Roque.

Avaliação do desempenho de soluções estruturais para galpões leves [manuscrito] / Michel Roque Chaves. - 2007.

xv, 125f.: il. color., graf., tabs.

Orientador: Prof. Dr. Geraldo Donizetti de Paula. Co-orientador: Prof. Dr. José Luiz Rangel Paes.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Engenharia Civil. Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil.

Área de concentração: Construção Metálica.

1. Edifícios industriais - Teses. 2. Otimização industrial - Teses. 3. Padrões de desempenho - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.

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AGRADECIMENTOS

A Deus, por colocar as pessoas certas no meu caminho e me dar a vida; Aos meus pais, por terem dado condições para eu chegar aqui;

Ao Prof. Geraldo Donizetti de Paula, pelo incentivo e compreensão;

Ao Prof. José Luiz Rangel Paes, por ser muito mais que um orientador, um educador na sua essência;

Ao amigo Eng. Ruquerth Cardoso Campos, que muito me ensinou;

Aos colegas e amigos do curso de mestrado, em especial ao José Maria Franco de Carvalho;

A Universidade Federal de Ouro Preto e Universidade Federal de Viçosa, por terem me oferecido uma ótima formação;

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RESUMO

No projeto de uma estrutura metálica para um galpão industrial existe uma ampla gama de possibilidades que podem ser adotadas para o arranjo estrutural do edifício. A escolha racional dos sistemas estruturais é um fator de grande importância para o desenvolvimento de soluções padronizadas e competitivas. O objetivo deste trabalho é avaliar comparativamente o desempenho de alguns sistemas estruturais usuais para galpões industriais. Para isso desenvolve-se um estudo paramétrico considerando pórticos transversais de diversas tipologias submetidos a carregamentos usuais, com vãos livres variando de 16 a 32 metros. comuns por meio de simulações computacionais. As tipologias estudadas foram: pórtico de alma cheia, pórtico com treliça em arco, pórtico com treliça de banzos paralelos, pórtico com treliça trapezoidal e pórtico com treliça triangular. Neste estudo optou-se por avaliar, exclusivamente, a influência da tipologia e vão livre no desempenho do pórtico transversal. Como parâmetro da avaliação da eficiência dos sistemas estruturais foram considerados a taxa de consumo de aço e a resposta estrutural dos diversos modelos analisados. Os resultados indicam que os pórticos treliçados apresentam menores taxas de consumo que os pórticos de alma cheia. Os pórticos com treliça em arco e treliça de banzos paralelos apresentam taxa de consumo de aço muito parecidas, enquanto os pórticos com treliça trapezoidal apresentam o melhor resultado sob o ponto de vista da taxa de consumo e resposta estrutural. O estudo desenvolvido gera subsídios que podem auxiliar a arquitetos e engenheiros a definição de sistemas estruturais mais adequados para galpões industriais.

(7)

ABSTRACT

In the project of a metallic structure to an industrial hangar there is a wide range of possibilities that can be adopted for the structural arrangement of the building exists. The rational choice of the structural systems is a factor of great importance for the development of standardized solutions and competitive. The objective of this work is to evaluate the acting of some usual structural systems comparatively for industrial hangars. For that it was grows a parametric study considering traverse porches of several typologies submitted to usual shipments, with free empty spaces varying from 16 to 32 meters. common through computacional simulation. The studied typologies were: porch of full soul, porch with trusses in arch, porch with trusses of parallel brace members, porch with trapezoidal trusses and porch with triangular trusses. In this study it was evaluated, exclusively, the influence of the typology and free empty space in the acting of the traverse porch. As parameter of the evaluation of the efficiency of the structural systems was considered the rate of consumption of steel and the structural answer of the several analyzed models. The results indicate that the trussed porches presents smaller consumption rates than the porches of full soul. The porches with trusses in arch and trusses of parallel brace members present rate of consumption of steel very seemed, while the porches with trapezoidal trusses present the best result under the point of view of the consumption rate and structural answer. The developed study generates subsidies that can aid architects and engineers the definition of more appropriate structural systems for industrial hangars.

(8)

Índice

RESUMO ...v

ABSTRACT ...vi

- CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO...1

1.1. Considerações Preliminares ...1

1.2. Objetivos ...4

1.3. Estrutura do Trabalho ...4

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...5

2.1. Considerações Preliminares ...5

2.2. Aspectos Relevantes da Concepção de Galpões Industriais em Aço ...6

2.3. Considerações sobre o Projeto Estrutural de Galpões Industriais em Aço...8

2.4. Tipos de Edifícios Industriais...9

2.5. Arranjo Estrutural de um Galpão Industrial Leve ...11

2.5.1. Vinculação entre Elementos Estruturais ...11

2.5.2. Arranjo Estrutural Típico de um Galpão Industrial ...12

2.6. Pórticos Transversais ...16

2.6.1. Sistemas Estruturais ...16

2.6.2. Pórticos de Alma Cheia ...18

2.6.3. Pórticos Treliçados ...19

2.7. Estruturas de Estabilização Longitudinal ...22

2.8. Parâmetros para Avaliação do Sistema Estrutural...23

CAPÍTULO 3 – BASES DO ESTUDO PARAMÉTRICO...27

3.1. Considerações Preliminares ...27

3.2. Critérios de Parametrização ...28

3.3. Definições dos Modelos ...33

3.3.1. Pórticos de Alma Cheia ...33

3.3.2. Pórticos com Treliça em Arco ...37

3.3.3. Pórticos com Treliça de Banzos Paralelos ...42

3.3.4. Pórticos com Treliça Trapezoidal ...46

3.3.5. Pórticos com Treliça Triangular ...50

CAPÍTULO 4 – ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DOS PÓRTICOS TRANSVERSAIS...54

4.1. Considerações Preliminares ...54

4.2. Bases para Análise e Dimensionamento ...55

(9)

4.4. Ações ...58

4.4.1. sobrecarga de Cobertura...58

4.4.2. vento...59

4.4.2.1. Estudo de Vento Típico para Galpão em Duas Águas ...61

4.4.2.2. Estudo de Vento Típico para Galpão em Arco ...64

4.5. Combinação de Ações ...67

4.6. Análise dos Modelos Estruturais ...67

4.7. Dimensionamento ...73

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO...77

5.1. Considerações Preliminares ...77

5.2. Representação dos Resultados do Estudo Paramétrico...78

5.3. Comparativo da Taxa de Consumo de Aço...79

5.3.1. Variação da Taxa de Consumo de Aço para um Mesmo Vão Livre ...79

5.3.2. Variação da Taxa de Consumo de Aço para uma Mesma Tipologia ...84

5.4. Deslocamento dos Pórticos Transversais ...92

5.4.1. Deslocamento para uma Mesma Tipologia ...94

5.4.2. Comparativo dos Deslocamentos Verticais para Todas as Tipologias ...99

5.4.3. Comparativo dos Deslocamentos Horizontais para Todas as Tipologias ...102

5.5. Comparativo da Taxa de Consumo com a Literatura ...104

CAPÍTULO 6 – CONSIDERAÇÕES FINAIS...106

6.1. Conclusões ...106

6.2. Sugestões para Trabalhos Futuros ...108

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...109

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR...111

(10)

Lista de Figuras

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO...2

Figura 1.1 – Esquema geral de um galpão industrial de vão simples ...2

Figura 1.2 –Esquema geral do arranjo estrutural de um galpão industrial de vão simples ...2

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...5

Figura 2.1 – Corte esquemático de um galpão industrial (SANTOS, 1977) ...7

Figura 2.2 – Arranjo estrutural típico de um galpão industrial leve ...13

Figura 2.3 – Plano das terças ...13

Figura 2.4 – Plano do banzo inferior da treliça do pórtico transversal ...14

Figura 2.5 – Vista geral de um galpão industrial leve com pórtico treliçado...14

Figura 2.6 – Pórticos engastados na base ...17

Figura 2.7 – Pórtico rotulado na base...17

Figura 2.8 – Pórtico atirantado...18

Figura 2.9 – Pórtico de alma cheia...18

Figura 2.10 – Pórtico com treliça triangular ...20

Figura 2.11 – Pórtico com treliça em arco...20

Figura 2.12 – Pórtico com treliça de banzos paralelos...21

Figura 2.13 – Pórtico com treliça trapezoidal...22

Figura 2.14 – Taxa de consumo de aço para galpão leves comuns (MIC/STI, 1986) ...24

Figura 2.15 – Taxa de consumo de aço para galpão médios (MIC/STI, 1986) ...24

Figura 2.16 – Consumo de Aço em kg/m² para galpão em pórtico em alma cheia (D'ALAMBERT, 2004)...25

CAPÍTULO 3 – BASES DO ESTUDO PARAMÉTRICO...29

Figura 3.1 – Tipologias de pórtico transversal consideradas no estudo paramétrico...29

Figura 3.2 – Sobreposição das tipologias de pórticos de alma cheia (AC) (dimensões em milímetros)...30

Figura 3.3 - Sobreposição das tipologias de pórticos com treliça em arco (TA) (dimensões em milímetros)...31

Figura 3.4 - Sobreposição das tipologias de pórticos com treliça de banzos paralelos (BP) (dimensões em milímetros)...32

Figura 3.5 - Sobreposição das tipologias de pórticos com treliça trapezoidal (TP) (dimensões em milímetros)...32

Figura 3.6 - Sobreposição das tipologias de pórticos com treliça triangular (TT) (dimensões em milímetros) ...33

Figura 3.7 – Esquema geral de um galpão industrial formado por pórticos de alma cheia...34

Figura 3.8 – Sistema estrutural dos pórticos de alma cheia ...34

Figura 3.9 – Pórtico de alma cheia com vão livre de 16 metros (dimensões em milímetros) ...35

(11)

Figura 3.11 - Pórtico de alma cheia com vão livre de 24 metros

(dimensões em milímetros) ...36 Figura 3.12 - Pórtico de alma cheia com vão livre de 28 metros

(dimensões em milímetros) ...36 Figura 3.13 - Pórtico de alma cheia com vão livre de 32 metros

(dimensões em milímetros) ...37 Figura 3.14 – Esquema geral de um galpão industrial formado por

pórticos com treliça em arco ...38 Figura 3.15 – Sistema estrutural do pórtico treliçado em arco ...38 Figura 3.16 - Pórtico com treliça em arco com vão livre de 16 metros

(dimensões em milímetros) ...39 Figura 3.17 - Pórtico com treliça em arco com vão livre de 20 metros

(dimensões em milímetros) ...40 Figura 3.18 - Pórtico com treliça em arco com vão livre de 24 metros

(dimensões em milímetros) ...40 Figura 3.19 - Pórtico com treliça em arco com vão livre de 28 metros

(dimensões em milímetros) ...41 Figura 3.20 - Pórtico com treliça em arco com vão livre de 32 metros

(dimensões em milímetros) ...41 Figura 3.21 – Esquema geral de um galpão industrial formado por pórticos

com treliça de banzos paralelos ...42 Figura 3.22 – Sistema estrutural do pórtico com treliça de banzos paralelos ...43 Figura 3.23 – Pórtico com treliça de banzos paralelos com vão livre de 16 metros

(dimensões em milímetros) ...43 Figura 3.24 – Pórtico com treliça de banzos paralelos com vão livre de 20 metros

(dimensões em milímetros) ...44 Figura 3.25 – Pórtico com treliça de banzos paralelos com vão livre de 24 metros

(dimensões em milímetros) ...44 Figura 3.26 – Pórtico com treliça de banzos paralelos com vão livre de 28 metros

(dimensões em milímetros) ...45 Figura 3.27 – Pórtico com treliça de banzos paralelos com vão livre de 32 metros

(dimensões em milímetros) ...45 Figura 3.28 – Esquema geral de um galpão industrial formado por pórticos

com treliça trapezoidal ...46 Figura 3.29 – Sistema estrutural do pórtico com treliça trapezoidal ...47 Figura 3.30 – Pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 16 metros

(dimensões em milímetros) ...47 Figura 3.31 - Pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 20 metros

(dimensões em milímetros) ...48 Figura 3.32 - Pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 24 metros

(dimensões em milímetros) ...48 Figura 3.33 - Pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 28 metros

(dimensões em milímetros) ...49 Figura 3.34 - Pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 32 metros

(dimensões em milímetros) ...49 Figura 3.35 – Esquema geral de um galpão industrial formado por pórticos

(12)

Figura 3.37 - Pórtico com treliça triangular com vão livre de 16 metros

(dimensões em milímetros) ...51

Figura 3.38 - Pórtico com treliça triangular com vão livre de 20 metros (dimensões em milímetros) ...52

Figura 3.39 - Pórtico com treliça triangular com vão livre de 24 metros (dimensões em milímetros) ...52

Figura 3.40 - Pórtico com treliça triangular com vão livre de 28 metros (dimensões em milímetros) ...53

Figura 3.41 - Pórtico com treliça triangular com vão livre de 32 metros (dimensões em milímetros) ...53

CAPÍTULO 4 – ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DOS PÓRTICOS TRANSVERSAIS...56

Figura 4.1 – Composição das vigas treliçadas ...56

Figura 4.2 – Delimitação da área abrangida pelo estudo paramétrico nas Isopletas de velocidade básica V0(m/s) ...60

Figura 4.3 – Coeficientes de forma externos para as paredes...61

Figura 4.4 – Coeficientes de forma externos para telhado em duas águas ...62

Figura 4.5 – Sobreposição dos coeficientes de forma e de pressão para vento longitudinal (W0°) ...62

Figura 4.6 – Sobreposição dos coeficientes de forma e de pressão para vento transversal (W90°) ...63

Figura 4.7 – Caso de carga para vento longitudinal (W0°) (kN/m²)...63

Figura 4.8 – Caso de carga para vento transversal (W90°) (kN/m²)...63

Figura 4.9 – Coeficientes de forma externos para as paredes ...64

Figura 4.10 – Coeficientes de forma externos para telhado em arco ...65

Figura 4.11 – Sobreposição dos coeficientes de forma e de pressão para vento longitudinal (W0°) ...65

Figura 4.12 – Sobreposição dos coeficientes de forma e de pressão para vento transversal (W90°) ...66

Figura 4.13 – Caso de carga para vento longitudinal (W0°) (kN/m²) ...66

Figura 4.14 – Caso de carga para vento transversal (W90°) (kN/m²) ...66

Figura 4.15 – Seções transversais dos elementos que compõem o pórtico com treliça trapezoidal (TP) com vão livre de 24 metros. ...68

Figura 4.16 – Ações devido ao peso próprio de cobertura (G) no pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 24 metros...68

Figura 4.17 – Ações devido à sobrecarga de cobertura (Q) no pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 24 metros ...69

Figura 4.18 – Ações devidas ao vento longitudinal (W0°) no pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 24 metros ...69

Figura 4.19 – Ações devidas ao vento transversal (W90°) no pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 24 metros ...70

Figura 4.20 – Vinculação das barras ...70

Figura 4.21 – Diagrama de Esforços Axiais devido à COMB1 (1,3G + 1,5Q) ...71

Figura 4.22 – Diagrama de Esforços Axiais devido à COMB2 (1G + 1,4W90°) ...71

(13)

Figura 4.24 – Diagrama de Momentos Fletores devido à COMB1 (1,3G + 1,5Q) ...72

Figura 4.25 – Diagrama de Momentos Fletores devido à COMB2 (1G + 1,4W90°) ...73

Figura 4.26 – Diagrama de Momentos Fletores devido à COMB3 (1G + 1,4W0°) ...73

Figura 4.27 – Verificação preliminar de seções transversais do pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 24 metros, de acordo com os critérios da AISC-LRFD/93(AISC,1993) ...74

Figura 4.28 – Verificação preliminar de uma diagonal da treliça trapezoidal com vão livre de 24 metros, identificada por meio de um círculo na Figura 4.29, no SAP2000 ...75

Figura 4.29 – Verificação final de uma diagonal da treliça trapezoidal com vão livre de 24 metros, identificada por meio de um círculo na Figura 4.29, no DESMET ...76

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO...79

Figura 5.1 – Seções transversais dos elementos que compõem o pórtico com treliça trapezoidal (TP) com vão livre de 24 metros...79

Figura 5.2 – Taxa de consumo aço para vão livre 16 metros ...80

Figura 5.3 – Taxa de consumo aço para vão livre 20 metros ...80

Figura 5.4 – Taxa de consumo aço para vão livre 24 metros ...81

Figura 5.5 – Taxa de consumo aço para vão livre 28 metros ...81

Figura 5.6 – Taxa de consumo aço para vão livre 32 metros ...82

Figura 5.7 – Taxa de consumo aço para os vãos livres considerados, em função das tipologias ...83

Figura 5.8 – Taxa de consumo de aço para pórtico de alma cheia (AC) ...85

Figura 5.9 – Taxa de consumo de aço para pórtico com treliça em arco (TA) ...85

Figura 5.10 – Taxa consumo de aço para pórtico com treliça de banzos paralelos (BP) ...86

Figura 5.11 – Taxa de consumo de aço para pórtico com treliça trapezoidal (TP)...86

Figura 5.12 – Taxa de consumo de aço para pórtico com treliça triangular (TT) ...87

Figura 5.13 – Taxa de consumo aço para todos os vãos livres e tipologias ...88

Figura 5.14 – Linha de tendência de consumo de aço para pórtico de alma cheia ...90

Figura 5.15 – Linha de tendência de consumo de aço para pórtico com treliça em arco ...90

Figura 5.16 – Linha de tendência de consumo de aço para pórtico com treliça em banzos paralelos ...91

Figura 5.17 – Linha de tendência de consumo de aço para pórtico com treliça trapezoidal ...91

Figura 5.18 – Linha de tendência de consumo de aço para pórtico com treliça triangular ...92

Figura 5.19 – Deslocamento vertical típico de um pórtico com treliça trapezoidal (TP) ...93

Figura 5.20 – Deslocamento horizontal típico de um pórtico com treliça trapezoidal (TP) ...93

Figura 5.21 – Deslocamentos do pórtico de alma cheia ...94

Figura 5.22 – Deslocamentos do pórtico com treliça em arco ...95

Figura 5.23 – Deslocamentos do pórtico com treliça de banzos paralelos ...96

Figura 5.24 – Deslocamentos do pórtico com treliça trapezoidal ...97

(14)

Figura 5.26 – Comparativo dos deslocamentos verticais para as diversas tipologias

(pórticos treliçados formados por perfil TE eletro-soldado) ...99 Figura 5.27 – Comparativo dos deslocamentos verticais para as diversas tipologias

(pórticos treliçados formados por cantoneira dupla) ...100 Figura 5.28 – Comparativo dos deslocamentos horizontais para as diversas tipologias

(pórticos treliçados formados por perfil TE eletro-soldado) ...102 Figura 5.29 – Comparativo dos deslocamentos horizontais para as diversas tipologias

(15)

Lista de Tabelas

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...26 Tabela 2.1 – Composição dos estágios de ações (D'ALAMBERT, 2004) ...26

CAPÍTULO 4 – ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DOS PÓRTICOS

TRANSVERSAIS...57 Tabela 4.1 – Propriedades mecânicas de seções transversais ...57 Tabela 4.2 – Seções equivalentes da viga de cobertura e esbeltezes

dos elementos comprimidos ...57

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO...78 Tabela 5.1 – Lista de material para pórtico com treliça

(16)

1

INTRODUÇÃO

1.1. Considerações Preliminares

Dentre os diversos aspectos relacionados à construção metálica, destacam-se a maior

resistência mecânica do aço quando comparada às dos outros materiais, a eficiência de uma

construção industrializada, a flexibilidade das soluções arquitetônicas e estruturais, a

facilidade de montagem e desmontagem, além da facilidade de reforço e ampliação. Como

conseqüências diretas destas características, podem-se obter ganhos como alívio das

fundações, aumento do espaço útil da construção, redução do tempo de construção e redução

da área de canteiro de obras, entre outros.

Devidos aos diversos aspectos positivos identificados na construção metálica, é cada

vez mais freqüente o interesse pelos edifícios em estrutura de aço no Brasil. O interesse pelos

galpões industriais em aço é cada vez maior.

Geralmente, um galpão industrial é um edifício de um único pavimento com grande

área construida (Figura 1.1 e 1.2), destinada a diversas finalidades como pequenas fábricas,

(17)

Nas Figuras 1.1 e 1.2 apresentam-se esquemas gerais de um galpão industrial de vão

simples, com cobertura em duas águas.

Figura 1.1 - Esquema geral de um galpão industrial de vão simples

(18)

Nos últimos anos, o mercado competitivo entre as empresas de engenharia aumentou a

preocupação com a redução de custos dos empreendimentos. Atualmente a otimização de

estruturas tem se mostrado uma ferramenta muito eficaz para tornar as empresas mais

competitivas num mercado globalizado. A otimização pode ser entendida como uma maneira

hábil de se identificar a melhor solução dentre as inúmeras disponíveis.

O grande desenvolvimento dos softwares para projeto estrutural e a utilização maciça

de computadores nos escritórios de engenharia aumentaram a velocidade e a eficiência da

atividade de projeto. A necessidade de redução de custos faz com que seja cada vez mais

necessário explorar as diversas ferramentas tecnológicas disponíveis para buscar soluções

mais racionais e competitivas dentre as diversas opções estruturais possíveis.

O projeto de uma estrutura é um processo que envolve diversas etapas como a

definição do sistema estrutural, a identificação e quantificação de ações, a definição de

condições de contorno, a escolha de materiais, a análise estrutural, o dimensionamento de

seções transversais, o detalhamento, as especificações, etc. O resultado final representa uma

síntese de decisões que são tomadas ao longo do desenvolvimento do projeto, em função de

uma série de opções consideradas para cada assunto relacionado ao projeto.

No projeto de uma estrutura metálica para um galpão industrial existe uma ampla

gama de possibilidades que podem ser adotadas para o arranjo estrutural do edifício.

Normalmente, o engenheiro deve ser capaz de definir a solução mais adequada para o arranjo

estrutural dentre as diversas soluções possíveis, mesmo sem realizar inúmeras simulações de

projeto. Até algum tempo atrás, isso só era viável com base em uma grande experiência do

profissional. O avanço da informática torna possível simular o comportamento de diversos

modelos estruturais antes de se tomar uma decisão final sobre a tipologia estrutural a ser

adotada.

No caso específico do projeto de galpões industriais nota-se que o conhecimento que

permite uma tomada de decisão quanto à tipologia estrutural mais adequada ainda não é um

assunto amplamente difundido no meio técnico da engenharia. Os arquitetos se ressentem

ainda mais da falta dessas indicações para a concepção de galpões industriais em geral.

Neste trabalho aborda-se uma avaliação de tipologias estruturais usuais aplicáveis aos

galpões industriais. A partir do seu desenvolvimento, espera-se contribuir com engenheiros e

arquitetos na seleção de sistemas estruturais mais adequados para concepção desses edifícios.

Tendo em vista o grande interesse atual pela industrialização da fabricação de galpões

em aço, a escolha racional dos sistemas estruturais é um fator de grande importância para o

(19)

1.2. Objetivos

O objetivo principal deste trabalho é avaliar o desempenho de algumas soluções

estruturais usuais utilizadas em galpões industriais.

Para alcançar esse objetivo estabelecem-se alguns objetivos específicos:

• apresentar as concepções de tipologias comuns para galpões industriais leves;

• analisar e dimensionar os modelos estruturais;

• determinar a taxa de consumo de aço para cada modelo;

• comparar a taxa de consumo de aço e a resposta estrutural dos diversos modelos analisados;

• avaliar a eficiência estrutural das tipologias propostas.

1.3. Estrutura do Trabalho

Esta dissertação está estruturada em seis capítulos, nos quais se apresenta o

desenvolvimento do trabalho de pesquisa realizado, os resultados obtidos e a discussão sobre

os mesmos.

No Capítulo 2 apresenta-se a revisão bibliográfica, no qual se oferece uma visão geral

sobre a concepção de galpões industriais, uma discussão sobre os arranjos estruturais

utilizados e as principais tipologias de pórticos transversais, que constituem a estrutura

principal desses edifícios. Ainda neste capítulo apresentam-se alguns parâmetros para

comparação entre sistemas estruturais.

No Capítulo 3 apresentam-se as bases do estudo paramétrico desenvolvido neste

trabalho, considerando-se os sistemas estruturais utilizados com maior freqüência nesses

edifícios.

O Capítulo 4 aborda a análise e o dimensionamento dos modelos definidos no

Capítulo 3 para o estudo paramétrico.

No Capítulo 5 apresentam-se os resultados do estudo realizado e uma discussão sobre

os mesmos.

A parte final deste trabalho é constituída pelo Capítulo 6 - Conclusões e Sugestões,

(20)

2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Considerações Preliminares

Geralmente, os galpões industriais são construções de um único pavimento que se estendem por grandes áreas e são constituídos por pórticos planos regularmente espaçados com cobertura na parte superior e fechamento lateral.

Um galpão industrial pode ser construído com diversos materiais, como aço, madeira, concreto e alumínio. Pode-se utilizar esses materiais isoladamente ou em conjunto. Já há algum tempo, o aço é o material mpais utilizado para construção de edifícios industriais no Brasil, devido às vantagens econômicas e construtivas que oferece. Atualmente esta solução divide espaço com os galpões pré-fabricados de concreto, que se tornaram competitivos nos últimos anos.

(21)

2.2. Aspectos Relevantes da Concepção de Galpões Industriais em Aço

De acordo com o Manual Brasileiro para Cálculo de Estruturas Metálicas (MIC/STI, 1986), os galpões industriais são, geralmente, construções de um pavimento, com a finalidade de fechar e cobrir grandes áreas, protegendo as instalações, os produtos armazenados ou, simplesmente, fornecendo abrigo em relação às condições climáticas externas. Destinam-se a diversos fins, como fábricas, almoxarifado, feiras, estádios, hangares, etc.

No projeto de galpões industriais, devem ser considerados os seguintes parâmetros: disposição e dimensões dos equipamentos que serão abrigados;

movimentação de cargas; circulação interna;

iluminação natural e artificial; ventilação;

condições e tipo de terreno.

Deve-se considerar também a possibilidade de ampliação e modificações futuras e, eventualmente, de aquecimento ou resfriamento de ar, de forma a garantir adequadas condições de trabalho (higiene, segurança e conforto) no interior do edifício.

Em função dos diversos aspectos que devem ser considerados, nota-se que a elaboração do projeto de galpões industriais exige um planejamento global cuidadoso.

De acordo com o “Steel Design Guide nº7 - Industrial Buildings", publicado pelo AISC (FISHER, 1993), a maioria dos edifícios industriais tem como finalidade abrigar ou encobrir uma área para estocagem ou produção. O projeto de um edifício industrial pode parecer logicamente um campo de atuação exclusivo do engenheiro estrutural. No entanto, é fundamental notar que a maioria dos edifícios industriais requer muito mais do que projeto estrutural.

Segundo SCHULTE et al. (1978), a função básica dos galpões leves em duas águas é a de transmitir aos pilares, através das tesouras, as cargas resultantes do peso próprio e as provenientes da cobertura.

(22)

Os edifícios industriais atuais geralmente apresentam planta retangular e possuem somente um pavimento. Cada vez é mais freqüente a existência de mezaninos ou pequenas construções acopladas no seu interior, destinadas a sanitários, escritórios, refeitórios, laboratórios, etc. (Figura 2.1).

Figura 2.1 – Corte esquemático de um galpão industrial (SANTOS, 1977)

Na fabricação dos galpões em estrutura de aço são utilizados perfis laminados, soldados e conformados a frio. O galpão industrial formado por estes materiais pode ser fabricado e montado no local da obra ou fabricado em partes no pátio de uma empresa especializada e, posteriormente, levado para o local onde será montado.

Uma das características mais marcantes dos galpões industriais em aço é a possibilidade de industrializar o processo de fabricação. A industrialização torna-se viável desde que exista uma padronização de elementos estruturais que seja compatível com os equipamentos disponíveis na empresa fabricante, o que garantirá rapidez, segurança e economia no processo de fabricação.

Um galpão industrial de porte médio em aço com sistema estrutural em pórticos treliçados pode requerer milhares de elementos estruturais. Se esses elementos estruturais forem diferentes, não será possível tirar proveito da industrialização do processo de fabricação dos mesmos. Portanto, para que seja viável industrializar a fabricação de uma estrutura de um galpão industrial, torna-se necessário padronizar elementos estruturais, de forma a se obter o maior número possível de peças com as mesmas características, sem perder de vista o critério econômico.

(23)

mesmas características geométricas numa mesma obra. Isto favorece bastante o processo de fabricação, podendo-se alcançar níveis elevados de racionalização e industrialização. O módulo fundamental utilizado na construção metálica é uma medida básica que geralmente está relacionada à dimensão da chapa padrão (12 metros) e se repete integral ou parcialmente em toda a estrutura.

No caso de galpões industriais, a modulação pode ser aplicada desde o espaçamento entre pórticos planos principais até detalhes construtivos menores. A utilização de vigas e colunas de mesmas características geométricas proporciona uma redução no detalhamento da estrutura e racionaliza o trabalho na oficina, permitindo um bom nível de industrialização do processo de fabricação.

2.3. Considerações sobre o Projeto Estrutural de Galpões Industriais em Aço

Tendo como referência uma solução em concreto armado, uma estrutura de aço apresenta uma grande vantagem no que se refere ao peso próprio e à resistência mecânica. Nas estruturas de aço, a influência do peso próprio é bem menor do que a de outras ações. O peso próprio pode ser avaliado de modo aproximado e pequenas variações do mesmo não exercem uma influência significativa no resultado final. Por outro lado, certos efeitos que pouco influem no dimensionamento de uma estrutura de concreto armado podem obrigar a sensíveis mudanças no dimensionamento final de uma estrutura de aço.

Dois exemplos podem ilustrar esses conceitos:

a) uma cobertura plana feita com estrutura de aço pesa cerca de 0,15 a 0,30 kN/m². O peso de uma estrutura de concreto armado situa-se entre 2 a 3 kN/m². A título de comparação, a sobrecarga de cobertura prevista pela NBR 8800 (ABNT, 2006), de 0,25 kN/m², representa em torno de 40% da combinação entre peso próprio e sobrecarga de cobertura (G+Q) para uma estrutura de aço. Enquanto isso, para uma estrutura de concreto armado, a mesma sobrecarga representa cerca de 10% do total da combinação de ações.

b) sobre a mesma cobertura citada, a ação do vento pode gerar uma sucção da ordem de 0,30 a 0,70 kN/m². Tal efeito é geralmente desprezado em uma estrutura de concreto armado devido à magnitude de seu peso próprio, que atua em direção oposta.

(24)

e daí ficar sujeito a fenômenos de instabilidade. Se a esbeltez do banzo inferior for grande, uma solicitação de compressão de pequena magnitude poderá se tornar o fator condicionante do dimensionamento, até mesmo anulando os efeitos da tração.

2.4. Tipos de Edifícios Industriais

Diversos autores (MIC/STI, 1986; PINHO, 2005, BELLEI, 2006) apresentam classificações distintas para os galpões industriais, na tentativa de sistematizar as diversas possibilidades construtivas deste tipo de edificação.

Segundo o Manual Brasileiro para Cálculo de Estruturas Metálicas (MIC/STI, 1986), os sistemas estruturais dos galpões industriais são escolhidos em função da finalidade a que se destinam, das suas dimensões principais e do tipo do terreno. Para facilitar o entendimento, os galpões podem ser agrupados quanto à:

a) estrutura principal: pórticos simples; pórticos múltiplos; estruturas especiais.

b) cobertura:

cobertura plana (horizontal ou inclinada); cobertura dentada (sheds);

cobertura em arco.

Segundo BELLEI (2006), os edifícios industriais podem ser classificados em: estruturas de vãos simples;

estruturas de vãos múltiplos.

PINHO (2005) apresenta dois tipos básicos de galpões em pórticos, definidos em função do tipo de estrutura transversal portante:

(25)

Nos pórticos de alma cheia se utilizam perfis laminados ou soldados de grandes dimensões como elementos principais da estrutura, enquanto nos pórticos treliçados, se empregam perfis menores formando reticulados em treliça para compor os elementos principais da estrutura.

Este mesmo autor (PINHO, 2005) apresenta ainda uma outra classificação dos edifícios industriais em função da presença de pontes rolantes, equipamentos comumente utilizados nos edifícios industriais:

galpões sem ponte rolante; galpões com ponte rolante.

Os galpões sem ponte rolante são usualmente empregados em coberturas para diversas finalidades, desde pequenas instalações comerciais até ginásios poliesportivos de grandes vãos. Nestas estruturas, a carga predominante é o vento, visto que nas mesmas se utilizam normalmente telhas metálicas de pouco peso. Os galpões com ponte rolante são mais complexos porque exigem apoio para o caminho de rolamento da mesma. Nestes casos, a carga predominante é a da ponte rolante, que introduz forças verticais, horizontais e impactos que devem ser resistidos pelos pórticos, mantendo-se sempre os deslocamentos máximos dentro dos limites admissíveis para a operação da ponte.

Com base nas classificações anteriores, para efeito de sistematização neste trabalho propõe-se uma nova classificação para os galpões industriais:

edifícios com vãos simples: - cobertura em uma água; - cobertura em duas águas; - cobertura em arco;

estruturas com vãos múltiplos:

- cobertura em múltiplos de uma água; - cobertura em múltiplos de duas águas; edifícios com estruturas especiais:

- estruturas reticuladas espaciais; - outras estruturas especiais.

(26)

Neste trabalho trata-se exclusivamente da avaliação do comportamento estrutural de edifícios industriais com vãos simples, com cobertura em duas águas ou em arco, sem ponte rolante. Para efeitos de referência, esses galpões serão denominados galpões industriais leves, termo este utilizado em algumas referências bibliográficas para edifícios industriais sem ponte rolante ou com pontes de pequena capacidade (até 50kN).

2.5. Arranjo Estrutural de um Galpão Industrial Leve

2.5.1. Vinculação entre Elementos Estruturais

Devido às amplas possibilidades de concepção, são muitos os sistemas estruturais que podem ser empregados no projeto de galpões industriais em aço. No entanto, independentemente do tipo de galpão, podem-se faitas algumas considerações de caráter geral sobre as vinculações entre elementos estruturais usualmente utilizados nesses edifícios.

Uma estrutura de aço é o resultado da montagem de um conjunto de elementos estruturais que são fabricados a partir de perfis e chapas metálicas produzidas na usinas siderúrgicas.

Devido a todo o processo necessário para obtenção do produto final, uma estrutura metálica apresenta características particulares que a diferencia de uma estrutura de concreto convencional.

Uma estrutura de concreto moldado in loco é predominantemente monolítica e

fortemente hiperestática. Num nó de uma estrutura de concreto armado onde se unem uma viga e um pilar, a rigidez da ligação é muito grande, de tal forma que pode-se considerar a existência de uma ligação rígida, ou seja, aquela que tem capacidade de transmitir esforços normais, cortantes e momentos fletores. Quando não se deseja transmitir momentos fletores através dos nós de uma estrutura de concreto é necessário introduzir um artifício tecnológico ou construtivo.

(27)

Principalmente devido à necessidade de facilitar o processo de montagem e torná-lo mais rápido, é necessário simplificar as ligações, o que faz com que o grau de vinculação entre os elementos estruturais seja o menor possível.

De uma forma geral, as estruturas possuem um caráter tridimensional, mesmo que possam ser decompostas em sub-estruturas planas para efeito de representação e análise. Os efeitos de instabilidade devem ser analisados tanto no plano das estruturas principais, quanto fora dele.

A título de exemplo, quando os pilares são engastados na base, as tesouras de cobertura que compõem a estrutura principal podem ser ligadas aos mesmos através de ligações flexíveis, ou seja, que não transmitem momentos fletores. Entretanto, se os pilares forem articulados nas bases, as tesouras de cobertura deverão ser ligadas nas extremidades superiores dos mesmos por meio de ligações rígidas, a fim de que os pórticos transversais formados por esses elementos não fiquem hipostáticos (SANTOS, 1977).

O reduzido grau de vinculação entre elementos estruturais nas estruturas metálicas normalmente leva ao surgimento de estruturas hipostáticas fora do plano da estrutura principal. Para eliminar esta hipostaticidade se utilizam estruturas de estabilização longitudinal, como os sistemas de contraventamento.

2.5.2. Arranjo Estrutural Típico de um Galpão Industrial

(28)

Figura 2.2 – Arranjo estrutural típico de um galpão industrial leve

(29)

Figura 2.4 – Plano do banzo inferior da treliça do pórtico transversal

Figura 2.5 – Vista geral de um galpão industrial leve com pórtico treliçado

a) pórticos transversais (colunas e tesoura)

(30)

b) cobertura e tapamento lateral

Tem por objetivo fechar a construção, protegendo o seu interior das intempéries. Usualmente, o fechamento da cobertura é feito com telhas metálicas (de aço ou de alumínio). Por outro lado, no tapamento lateral utilizam-se telhas metálicas ou alvenaria.

c) terças

São vigas situadas na cobertura, que têm por função principal apoiar as telhas da cobertura e transmitir as ações nelas impostas (sobrecargas, vento, etc) para as tesouras dos pórticos transversais. Geralmente, são constituidas por perfis metálicos conformados a frio ou laminados. Denominam-se escoras (do beiral ou da cobertura) as terças que além de suportarem as telhas, funcionam como montantes do contraventamento.

d) travessas ou longarinas

São vigas formadas por perfis conformados a frio ou laminados que tem por função apoiar o tapamento lateral, recebendo as cargas aplicadas nestes e transmitindo-as para as colunas.

e) tirantes

São elementos estruturais que trabalham essencialmente à tração e, em geral, são constituídos por barras redondas. Dentre as diversas utilizações dos tirantes nas estruturas metálicas, podem destacar aquelas onde este tipo de elemento é empregado com finalidade de reduzir o vão das terças e das travessas, ou ainda, colaborar como elemento resistente em um pórtico transversal.

f) barras rígidas

São barras solicitadas a esforços de compressão, formadas normalmente por cantoneiras simples ou duplas ou perfis laminados tipo I. Podem atuar como elementos de travamento do banzo inferior (Figura 2.4).

g) contraventamentos

(31)

galpões industriais são dispostos em forma de "X" e no seu dimensionamento despreza-se a resistência das diagonais comprimidas.

A escolha do tipo de pórtico transversal (em alma cheia ou treliçado), associado a outros parâmetros como a distância entre pórticos, define o arranjo estrutural de um galpão industrial. Este arranjo deve ser ajustado para se obter a estrutura que melhor atenda a um conjunto de aspectos do caso em análise, sem perder de vista a importância de se conseguir uma solução segura e econômica, levando-se em consideração o peso total da estrutura.

A distância entre pórticos transversais é geralmente condicionada pela finalidade do galpão. Não havendo restrições, escolhe-se o espaçamento que conduz à maior economia no custo global de terças e vigas de cobertura.

Espaçamentos menores entre pórticos transversais favorecem os elementos secundários de cobertura e tapamento (terças e travessas), reduzem as cargas em cada pórtico, mas aumentam o número de pórticos e, consequentemente, o número de bases e fundações. Espaçamentos maiores aumentam os elementos secundários da cobertura, mas, por outro lado, reduzem o número de pórticos e de fundações. Quando o espaçamento entre as colunas é muito grande, torna-se mais econômico o uso de vigas de cobertura intermediárias, apoiadas em vigas longitudinais nos beirais e, às vezes, também na cumeeira.

O banzo superior da treliça ou a mesa superior da viga de alma cheia que compõem a tesoura devem ser preferencialmente paralelos à cobertura. A inclinação da cobertura é função do material empregado para o cobrimento ou do efeito estético que se deseja obter, respeitada a declividade mínima permitida para o material utilizado.

De maneira mais ampla, a análise do arranjo estrutural deve ser feita considerando-se a interação entre os aspectos construtivos da estrutura como um todo e das fundações.

2.6. Pórticos Transversais

2.6.1. Sistemas Estruturais

(32)

extremidades dessas vigas e os pilares que compõem o pórtico principal, proporcionando uma maior ou menor continuidade entre esses elementos estruturais. Outra variação comumente explorada consiste na alteração do vínculo das colunas com as bases, o que altera fundamentalmente os esforços transmitidos para as fundações e a deslocabilidade horizontal da estrutura.

Quando o terreno de fundação apresenta boa capacidade de suporte, o melhor sistema estático consiste no pórtico engastado nas bases (Figura 2.6), que permite uma melhor redistribuição de esforços na estrutura e um dimensionamento mais econômico, além de apresentar maior facilidade de montagem.

Figura 2.6 – Pórticos engastados na base

(a) viga de cobertura bi-rotulada, (b) viga de cobertura rigidamente ligada às colunas

Os pórticos rotulados nas bases (Figura 2.7) levam à obtenção de fundações mais econômicas se comparados ao caso dos pórticos engastados na base, favorecendo a implantação dessas estruturas em terrenos de baixa capacidade de suporte. Por outro lado, a adoção de rótulas nas bases faz com que os esforços na estrutura sejam de maior magnitude do que no caso de bases engastadas e que a estrutura apresente maior deslocamento horizontal.

(33)

Quando o vão livre do pórtico é muito grande, torna-se econômica a utilização de viga de cobertura com tirante (Figura 2.8). Com a colocação de tirantes, os deslocamentos horizontais e os momentos nas colunas são reduzidos. São indicados para inclinações maiores que 15°. No entanto, em determinados casos os tirantes podem ser um obstáculo indesejável.

Figura 2.8 – Pórtico atirantado

2.6.2. Pórticos de Alma Cheia

Um pórtico transversal de alma cheia é formado pelas colunas e viga de cobertura em alma cheia. As principais vantagens das vigas de cobertura de alma cheia são: o aspecto estético, a pequena altura do elemento estrutural, a facilidade de limpeza, pintura e conservação. Na Figura 2.9 apresenta-se um esquema típico de um galpão em pórtico de alma cheia.

Figura 2.9 – Pórtico de alma cheia

(34)

No projeto de vigas de cobertura em alma cheia geralmente utilizam-se perfis laminados ou soldados de inércia constante ao longo de todo o vão. O menor peso de uma viga de cobertura de alma cheia é conseguida com a adoção de perfis de inércia variável.

A utilização de vigas de cobertura de alma cheia no Brasil era limitada até poucos anos atrás, devido à falta de perfis de alma cheia de pequenas dimensões e boa relação inércia/peso. Esta limitação foi amplamente superada com a atual disponibilidade de perfis laminados e soldados de pequenas dimensões no mercado brasileiro. No entanto, em alguns casos continua a haver dificuldades em obter bitolas.

2.6.3. Pórticos Treliçados

Um pórtico transversal treliçado é formado pelas colunas e viga de cobertura treliçada. As principais vantagens das vigas de cobertura treliçadas são: a eficiência estrutural, as amplas possibilidades de composição das treliças e a simplicidade dos equipamentos necessários para a fabricação.

As vigas de cobertura treliçadas podem ou não ter continuidade com as colunas do pórtico. Esta continuidade está intimamente relacionada à tipologia da viga treliçada e ao tipo de ligação das vigas com os pilares.

A - Pórtico com treliça triangular (TT)

As treliças triangulares (Figura 2.10) são utilizadas para pequenos vãos. Devido ao pequeno ângulo formado junto aos apoios, apresentam grandes esforços nas barras do banzo superior próximo a esses pontos, além de levar à adoção de detalhes construtivos desfavoráveis.

(35)

Figura 2.10 – Pórtico com treliça triangular

B - Pórtico com treliça em arco (TA)

Uma cobertura em curva pode ser projetada em arco conectado às colunas (Figura 2.11) ou em arco vencendo todo o vão, sem colunas. Os sistemas estruturais mais empregados no caso de arco conectado às colunas são o arco contínuo com as colunas e o arco simplesmente apoiados sobre as colunas.

Figura 2.11 – Pórtico com treliça em arco

O arco atirantado é muito econômico quando os carregamentos verticais na direção da gravidade são predominantes. No entanto, deve-se sempre verificar o comportamento da estrutura para os casos onde ocorrem inversão do carregamento, visto que nestes casos o arco tende a se fechar e o tirante não mais terá função estrutural. Nesses casos o tirante deverá ser desconsiderado na análise.

Normalmente, a treliça em arco apresenta banzos paralelos, fazendo com que as diagonais e montantes sejam do mesmo comprimento.

(36)

Quando submetida a ações verticais, a treliça em arco introduz esforços horizontais significativos no topo das colunas, o que geralmente requer a utilização de perfis mais pesados nas colunas para se garantir que os limites de deslocamento horizontal sejam atendidos.

C - Pórtico com treliça de banzos paralelos (BP)

As treliças de banzos paralelos (Figura 2.12) apresentam diagonais e montantes de mesmo comprimento, o que permite padronizar os elementos estruturais e proporciona uma grande racionalização do processo de fabricação.

Esse sistema apresenta um desempenho estrutural parecido com o pórtico treliçado em arco, visto que também introduz esforços horizontais significativos no topo das colunas.

Figura 2.12 – Pórtico com treliça de banzos paralelos

D - Pórtico com treliça trapezoidal (TP)

As treliças trapezoidais (Figura 2.13) apresentam bom desempenho estrutural visto que podem ser conectadas de forma contínua com as colunas do pórtico. A ligação da extremidade da treliça com a coluna forma um binário que garante um determinado grau de rigidez entre a viga de cobertura e a coluna do pórtico transversal. Essa continuidade proporciona uma redistribuição de esforços entre a viga e a coluna, melhorando o desempenho do sistema estrutural.

(37)

2.7. Estruturas de Estabilização Longitudinal

No projeto de um galpão industrial leve é necessário adotar medidas que garantam a estabilidade espacial da estrutura. A estabilidade no sentido transversal do edifício é garantida pela existência de pórticos planos transversais. Normalmente, a estabilidade fora do plano da estrutura principal (pórtico transversal), ou seja, na direção longitudinal do galpão, é conseguida com a utilização de estruturas de estabilização longitudinal.

No caso de galpões industriais leves, geralmente se utilizam contraventamentos horizontais (dispostos no plano da cobertura) e verticais (dispostos nas laterais do edifício) para se conseguir a estabilização longitudinal da estrutura.

As forças resultantes da ação do vento nas fachadas laterais e outras forças horizontais transversais são transferidas às fundações pelos pórticos transversais. As forças horizontais longitudinais, resultantes da ação do vento e de pontes rolantes são transferidas às fundações através do sistema formado pelos contraventamentos horizontais e verticais. Além de servirem de apoio para as telhas de cobertura, as terças dispostas na região do contraventamento também compõem esse sistema de estabilização, formando uma grande treliça horizontal na cobertura.

O contraventamento em “X” é normalmente o mais comum e mais econômico. No entanto, existem diversas formas de se compor um contraventamento, atendendo às necessidades impostas nos diversos projetos, como, por exemplo, as aberturas nas fachadas laterais.

O contraventamento horizontal situado no plano da cobertura também desempenha um outro papel fundamental na estabilização da estrutura. O sistema de contraventamento torna os pontos de apoio das terças nos pórticos transversais indeslocáveis, reduzindo o comprimento de flambagem do banzo superior da viga de cobertura.

(38)

2.8. Parâmetros para Avaliação do Sistema Estrutural

A comparação entre sistemas estruturais pode ser feita com base em aspectos estéticos, comerciais, de limitação do terreno de fundação, de cumprimento de prazos de execução, etc. Entretanto, o aspecto que geralmente exerce maior influência na escolha de um sistema estrutural de um galpão industrial é a taxa de consumo de aço da estrutura. Ou seja, a taxa de consumo de aço é normalmente o parâmetro mais utilizado para estimar, ou mesmo avaliar, a eficiência de um sistema estrutural.

O Manual Brasileiro para Cálculo de Estruturas Metálicas (MIC/STI, 1986) apresenta alguns gráficos que permitem estimar a taxa de consumo de aço para galpões. Na Figura 2.14, apresenta-se o gráfico para determinação do consumo de aço de galpões leves comuns, com ou sem pontes rolantes, com capacidade inferior a 50 KN. A taxa de consumo de aço (K2) em kg/m² de área coberta, em função do vão “s”, em metros, é dada pela expressão indicada na Figura 2.14. Nesta taxa incluem-se todos os elementos que compõem a estrutura metálica do galpão.

Figura 2.14 – Taxa de consumo de aço para galpão leves comuns (MIC/STI, 1986)

(39)

em metros, é dada pela expressão indicada na Figura 2.15. A taxa K3 também considera todos os elementos que compõem a estrutura metálica do galpão.

Figura 2.15 – Taxa de consumo de aço para galpão médios (MIC/STI, 1986)

Segundo o MIC/STI (1986), as taxas calculadas com base nas Figuras 2.14 e 2.15 deverão ser utilizadas apenas como referência por terem sido estimadas com base em estruturas construídas na Europa no período de 1950 a 1965. Esse período é conhecido como sendo um período transição para construção metálica, quando em 1960 foi introduzido o aço ASTM-A36.

(40)

Figura 2.16 – Consumo de Aço em kg/m² para galpão em pórtico em alma cheia (D'ALAMBERT, 2004)

De acordo com o estudo realizado por D'ALAMBERT (2004) os parâmetros Q4, Q5 e Q6 indicam o estágio de ações considerado. Cada estágio corresponde a uma velocidade de vento associada a distancia entre pórticos transversais, conforme indicado na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Composição dos estágios de ações (D'ALAMBERT, 2004)

Composição dos Estágios de Ação

Estágio de Ações Velocidade do vento Distância entre os Pórticos B

(m/seg) (m)

45 6

35 9

Q4

30 12

40 6

35 6

Q5

30 9

(41)
(42)

3

BASES DO ESTUDO PARAMÉTRICO

3.1. Considerações Preliminares

Tendo em vista o objetivo de avaliar o desempenho de algumas soluções estruturais

para galpões industriais leves, decidiu-se realizar um estudo paramétrico considerando-se os

sistemas estruturais utilizados com maior freqüência nesses edifícios. Este estudo deverá

permitir uma comparação da taxa de consumo de aço e da resposta estrutural dos diversos

modelos analisados.

No universo dos galpões industriais leves, existe uma ampla gama de características que

podem ser variadas com objetivo de avaliar as soluções estruturais. No entanto, considerando

que para obtenção da taxa de consumo de aço para cada modelo é necessário realizar todas as

etapas de um projeto estrutural (avaliação de ações, análise e dimensionamento), torna-se

necessário limitar o número de casos analisados.

Este Capítulo é dedicado à apresentação das bases adotadas para desenvolvimento do

estudo paramétrico deste trabalho. Para isso apresentam-se os pórticos transversais considerados

(43)

3.2. Critérios de Parametrização

O estudo paramétrico de galpões industriais leves pode abranger a variação de diversas

características que influenciam a resposta da estrutura, como:

• tipologia do pórtico transversal;

• vão livre do pórtico transversal;

• inclinação da cobertura;

• altura da coluna;

• tipo de vinculação;

• distância entre pórticos transversais;

• relação entre altura no meio do vão (flecha) e vão livre do pórtico transversal;

• variação da magnitude das cargas.

Cada um desses parâmetros exerce uma maior ou menor influência na taxa de consumo

de aço e na resposta estrutural. Portanto, para uma avaliação abrangente seria necessário

analisar um elevado número de modelos estruturais na tentativa de determinar a influência de

cada característica.

Para o estudo paramétrico deste trabalho optou-se por avaliar, exclusivamente, a

influência das seguintes variáveis:

• tipologia do pórtico transversal;

• vão livre do pórtico transversal.

Para as demais características de projeto adotam-se valores normalmente encontrados

em galpões industriais leves:

• distancia entre pórticos transversais - 6 metros

• inclinação - 10%

• altura da coluna - 6 metros

• comprimento total do galpão - 60 metros

Tendo em vista o objetivo de avaliar a influência da solução estrutural para galpões

industriais leves e considerando que a estrutura desses edifícios é marcada pela repetição de

pórticos planos transversais, o estudo paramétrico deste trabalho se centra na avaliação

(44)

Uma vez que a distância entre pórticos e a magnitude dos carregamentos é a mesma em

todos modelos do estudo, considera-se que os elementos estruturais secundários como terças,

travessas, contraventamentos, dentro outros, são os mesmos em todos os casos, não exercendo

influência na taxa de consumo de aço para as distintas tipologias.

Para desenvolvimento deste estudo, adotam-se cinco tipologias distintas para o pórtico

transversal e cinco vãos livres diferentes, variando de 16 a 32 metros, conforme se mostra na

Figura 3.1. As tipologias consideradas são:

• AC - Pórtico de alma cheia

• TA - Pórtico com treliça em arco

• BP - Pórtico com treliça de banzos paralelos

• TP - Pórtico com treliça trapezoidal

• TT - Pórtico com treliça triangular

16 m 20 m 24 m 28 m 32 m

AC

AC-16 AC-20 AC-24 AC-28 AC-32

TA

TA-16 TA-20 TA-24 TA-38 TA-32

BP

BP-16 BP-20 BP-24 BP28 BP32

TP

TP-16 TP-20 TP-24 TP-28 TP-32

TT

TT-16 TT-20 TT-24 TT-28 TT-32

(45)

Para definição das dimensões dos modelos que compõem o estudo paramétrico, toma-se

como referência uma inclinação de 10% para as vigas de cobertura, o que é usual para o caso

de telhas metálicas.

Para o pórtico de alma cheia (AC), a inclinação de 10% leva a uma flecha no meio do

vão equivalente a L/20, sendo “L” o vão livre do pórtico transversal.

Preservando-se a inclinação de 10%, adota-se uma relação de L/10 para a flecha da viga

de cobertura dos modelos em treliça de banzos paralelos (BP) e treliça trapezoidal (TP). Com

esta medida pretende-se manter próximas as inércias equivalentes das seções transversais no

meio do vão dos diferentes tipos de pórticos.

No caso da treliça triangular (TT), preserva-se a relação de L/10 para a flecha do meio

do vão, o que leva a uma inclinação de 20% para a cobertura. A manutenção da inclinação de

10% para esse caso levaria ao surgimento de esforços muito elevados nas extremidades da viga

de cobertura, devido ao afunilamento produzido pelo arranjo das barras da treliça, além de

reduzir significativamente a inércia equivalente da seção transversal no meio do vão.

Para a treliça em arco (TA) toma-se como referência uma relação entre a flecha e o vão

livre em torno de 1/6 a 1/5, conforme recomendação de SALES et. al. (1994). Portanto, para

esses modelos define-se uma relação de L/5 para a flecha no meio do vão.

Nas Figuras 3.2 a 3.6 apresenta-se uma sobreposição das tipologias de pórticos

transversais e suas respectivas variações adotadas neste estudo paramétrico.

(46)
(47)

Figura 3.4 - Sobreposição das tipologias de pórticos com treliça de banzos paralelos (BP) (dimensões em milímetros)

(48)

Figura 3.6 - Sobreposição das tipologias de pórticos com treliça triangular (TT) (dimensões em milímetros)

3.3. Definição dos Modelos

Tendo em vista os critérios de parametrização dos pórticos transversais apresentados

anteriormente, neste item se definem as características geométricas de cada modelo.

3.3.1. Pórticos de Alma Cheia

Na Figura 3.7 apresenta-se um esquema geral de um galpão industrial formado por

pórticos de alma cheia. Para esta tipologia admite-se que a ligação entre a coluna e a viga de

(49)

Figura 3.7 – Esquema geral de um galpão industrial formado por pórticos de alma cheia

Figura 3.8 – Sistema estrutural dos pórticos de alma cheia

Nas Figuras 3.9 a 3.13 apresentam-se os cinco modelos de pórtico de alma cheia

considerados neste estudo paramétrico, cujos vãos livres variam de 16 a 32 metros, com

(50)

Figura 3.9 – Pórtico de alma cheia com vão livre de 16 metros (dimensões em milímetros)

(51)

Figura 3.11 - Pórtico de alma cheia com vão livre de 24 metros (dimensões em milímetros)

(52)

Figura 3.13 - Pórtico de alma cheia com vão livre de 32 metros (dimensões em milímetros)

3.3.2. Pórticos com Treliça em Arco

Na Figura 3.14 mostra-se um esquema de galpão industrial formado por pórtico com

treliça em arco. Para essa tipologia admite-se que as ligações entre os banzos da viga de

cobertura e a coluna são flexíveis e que as colunas estão engastadas na base. Por outro lado, as

diagonais e os montantes da treliça são rotulados nas suas extremidades (Figura 3.15).

Segundo SALES et. al. (1994), nos arcos metálicos a relação entre a altura entre banzos

e o vão livre entre colunas varia em torno de 1/40 a 1/30. Neste trabalho adota-se uma relação

(53)

Figura 3.14 – Esquema geral de um galpão industrial formado por pórticos com treliça em arco

(54)

Nas Figuras 3.16 a 3.21 apresentam-se os cinco modelos de pórtico com treliça em arco

considerados neste estudo paramétrico, cujos vãos livres variam de 16 a 32 metros, com

incrementos de 4 metros.

(55)

Figura 3.17 - Pórtico com treliça em arco com vão livre de 20 metros (dimensões em milímetros)

(56)

Figura 3.19 - Pórtico com treliça em arco com vão livre de 28 metros (dimensões em milímetros)

(57)

3.3.3. Pórticos com Treliça de Banzos Paralelos

Um esquema típico de um pórtico com treliça de banzos paralelos é indicado na Figura

3.21. Na Figura 3.22 apresenta-se o sistema estrutural para o pórtico com treliça de banzos

paralelos. As colunas são engastadas na base e a ligação dos banzos da treliça com a coluna é

flexível. Os elementos das diagonais e montantes são rotulados nas suas extremidades.

Nestes modelos admite-se que a distância entre banzos corresponde à metade da altura

no meio do vão, ou seja, à metade da flecha da treliça.

(58)

Figura 3.22 – Sistema estrutural do pórtico com treliça de banzos paralelos

Nas Figuras 3.23 a 3.27 apresentam-se os modelos de pórticos com treliça de banzos

paralelos considerados neste estudo paramétrico, mantendo-se a mesma variação de vãos

utilizada nos estudos anteriores (16 a 32 metros, com incrementos de 4 metros).

(59)

Figura 3.24 – Pórtico com treliça de banzos paralelos com vão livre de 20 metros (dimensões em milímetros)

(60)

Figura 3.26 – Pórtico com treliça de banzos paralelos com vão livre de 28 metros (dimensões em milímetros)

(61)

3.3.4. Pórticos com Treliça Trapezoidal

Na Figura 3.28 mostra-se um esquema geral de um galpão industrial formado por

pórticos com treliça trapezoidal.

Na Figura 3.29 apresenta-se o sistema estrutural adotado para esses modelos, no qual os

critérios de vinculação seguem o mesmo princípio adotado nos modelos em pórtico com treliça

em arco e pórtico com treliça de banzos paralelos, ou seja, colunas engastadas na base, ligação

flexível entre os banzos da treliça e a coluna e extremidades das diagonais e montantes

rotuladas.

(62)

Figura 3.29 – Sistema estrutural do pórtico com treliça trapezoidal

São apresentados nas Figuras de 3.30 a 3.34 os modelos propostos para esse sistema

estrutural.

(63)

Figura 3.31 - Pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 20 metros (dimensões em milímetros)

(64)

Figura 3.33 - Pórtico com treliça trapezoidal com vão livre de 28 metros (dimensões em milímetros)

(65)

3.3.5. Pórticos com Treliça Triangular

O último grupo de modelos considerado no estudo paramético é o pórtico com treliça

triangular. Na Figura 3.35 apresenta-se um esquema geral de um galpão industrial formado por

pórticos com treliça triangular.

O sistema estrutural do pórtico com treliça triangular é apresentado na Figura 3.36. A

ligação da viga de cobertura com a coluna é flexível, as barras que compõem a treliça têm suas

extremidades rotuladas e as colunas são engastadas na base.

(66)

Figura 3.36 – Sistema estrutural do pórtico com treliça triangular

(67)

Figura 3.38 - Pórtico com treliça triangular com vão livre de 20 metros (dimensões em milímetros)

(68)

Figura 3.40 - Pórtico com treliça triangular com vão livre de 28 metros (dimensões em milímetros)

(69)

4

ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DOS

PÓRTICOS TRANSVERSAIS

4.1. Considerações Preliminares

No Capítulo 3 foram apresentadas as tipologias de pórticos transversais adotadas para o desenvolvimento do estudo paramétrico deste trabalho.

Neste Capítulo apresentam-se as bases adotadas para desenvolvimento da análise e dimensionamento dos pórticos transversais considerados. Faz-se uma abordagem sobre os programas computacionais utilizados e a composição das seções transversais empregadas nos elementos estruturais que compõem os pórticos.

Imagem

Figura 1.2 - Esquema geral do arranjo estrutural de um galpão industrial de vão simples
Figura 2.4 – Plano do banzo inferior da treliça do pórtico transversal
Figura 2.14 – Taxa de consumo de aço para galpão leves comuns (MIC/STI, 1986)
Figura 2.16 – Consumo de Aço em kg/m² para galpão em pórtico em alma cheia   (D'ALAMBERT, 2004)
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Referências

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